"لگد" الکترون تک اتم ها را از مواد دو بعدی حذف می کند - دنیای فیزیک

پرتوی از الکترون‌ها می‌توانند اتم‌های منفرد را از یک صفحه دو بعدی نیترید بور شش ضلعی (hBN) به روشی قابل کنترل «لگد بزنند» و پیش‌بینی‌ها مبنی بر اینکه تابش الکترون برای این منظور بسیار مضر است را به چالش می‌کشد. حتی قابل توجه تر، فیزیکدانان پشت این کشف پیش بینی می کنند که نسخه ای با انرژی بالاتر از همان تکنیک ترجیحاً می تواند اتم های نیتروژن را از شبکه hBN حذف کند، که غیرمنتظره است زیرا نیتروژن سنگین تر از بور است. فضاهای خالی یا جای خالی اتم‌های نیتروژن «از دست رفته» می‌توانند کاربردهایی در محاسبات کوانتومی، شبکه‌های ارتباطی و حسگرها داشته باشند.

 جاهای خالی نیتروژن در hBN دارای خواص نوری هستند که آنها را برای استفاده در دستگاه های کوانتومی و اپتوالکترونیکی در حال ظهور ایده آل می کند. نکته منفی این است که جداسازی آنها دشوار است، اما محققان دانشگاه وین به رهبری فیزیکدان تجربی، توما سوزی، اکنون راهی برای انجام این کار با استفاده از تکنیکی به نام میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی تصحیح شده با انحراف (TEM) یافته اند.

 سوزی توضیح می‌دهد: «میکروسکوپ الکترونی عبوری به ما اجازه می‌دهد تا ساختار اتمی مواد را تصویر کنیم و به‌ویژه برای آشکار کردن مستقیم هرگونه نقص در شبکه نمونه مناسب است. تصحیح انحراف به ما وضوح رصد تک اتم‌ها را می‌دهد - مانند استفاده از عینک برای دیدن واضح‌تر - اما می‌توان از آن برای حذف این اتم‌ها نیز استفاده کرد.

پیش از این، اندازه‌گیری TEM معمولاً در شرایط خلاء نسبتاً ضعیف انجام می‌شد. در این شرایط، مولکول‌های گازی که در دستگاه باقی مانده‌اند می‌توانند به راحتی با حکاکی کردن اتم‌ها در شبکه کریستالی مواد به نمونه‌های hBN آسیب برسانند. پرتو الکترونی پرانرژی همچنین می تواند از طریق برخوردهای الاستیک با الکترون های موجود در پرتو یا تحریکات الکترونیکی به نمونه آسیب برساند.

آسیب شبکه تا حد زیادی کاهش می یابد

سوزی و همکارانش با کارکردن TEM در شرایط خلاء بسیار بالا و آزمایش انرژی های مختلف پرتو الکترونی بین 50 تا 90 کو بر این مشکلات غلبه کردند. آنها دریافتند که فقدان مولکول‌های گاز باقی‌مانده در خلاء بهبود یافته، اثرات اچینگ ناخواسته را که بسیار سریع اتفاق می‌افتند سرکوب می‌کند و در غیر این صورت از حذف کنترل‌پذیر اتم‌های منفرد جلوگیری می‌کند.

علاوه بر این، تیم دریافت که TEM می‌تواند جای خالی بور و نیتروژن را در انرژی‌های میانی ایجاد کند. اگرچه احتمال خروج بور در انرژی های کمتر از 80 کو به دلیل جرم کمتر آن دو برابر بیشتر است، اما در انرژی های بالاتر، تیم پیش بینی می کند که نیتروژن راحت تر خارج می شود، بنابراین اجازه می دهد تا این جای خالی ترجیحا ایجاد شود. سوزی می گوید: «برای ایجاد این جاهای خالی، به هیچ چیز خاصی نیاز نیست دنیای فیزیک. الکترون‌های مورد استفاده برای تصویربرداری انرژی کافی برای از بین بردن اتم‌ها در شبکه hBN دارند.

این واقعیت که محققان اندازه‌گیری‌هایی را روی انرژی‌های الکترونی انجام دادند به آن‌ها اجازه داد تا آمار قوی در مورد چگونگی تولید اتم‌های از دست رفته جمع‌آوری کنند، چیزی که برای توسعه نظریه‌ای در آینده برای چگونگی ایجاد فضاهای خالی با استفاده از TEM مفید خواهد بود.

انقلاب کوانتومی الماس

سوزی می‌گوید: «اکنون که می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که برای بیرون راندن اتم‌های نیتروژن یا بور به چه مقدار نیاز به تابش مواد در هر انرژی داریم، می‌توانیم آزمایش‌هایی را طراحی کنیم که توزیع مورد نظر جاهای خالی را بهینه کند. ما همچنین پیشگام دستکاری در سطح اتمی با هدایت پرتو الکترونی در مکان های شبکه جداگانه بوده ایم.

ما قبلاً فکر می کردیم که نیترید بور شش ضلعی خیلی سریع آسیب می بیند و برای چنین درمان مناسب نیست. اکنون باید در مورد آن تجدید نظر کنیم.»

سوزی می گوید که گام بعدی تعمیم نتایج فراتر از hBN خواهد بود. او می‌گوید: «با مدل‌های نظری بهتر، می‌توانیم نحوه تعامل پرتو نه تنها با hBN، بلکه به طور بالقوه سایر مواد مانند گرافن و سیلیکون حجیم را پیش‌بینی کنیم.»

محققان جزئیات کار خود را در کوچک.